西农大林业遥感教案

林业遥感教案第一章

绪论

1.1

遥感的基本概念

1.2

遥感系统

1.3遥感的分类

1.4

目前遥感技术发展的特点

1.5林业遥感的发展现状及未来

第二章

遥感的物理基础

2.1

电磁波、电磁波谱及大气窗口

2.2

太阳辐射与大气影响

2.2.1太阳辐射

2.2.2大气对太阳辐射的影响

2.2.3大气窗口

2.3

地物反射波谱特征

2.4

地物反射波谱测量

2.4.1地物反射波谱测量理论

2.4.2地物光谱的测量方法

2.4.3

地物光谱测定

第三章

航空遥感

3.1

航空遥感系统

3.1.1航空遥感平台

3.1.2航空摄影方式

3.1.3航空遥感特点

3.1.4航空遥感的产品

3.1.5航片上的标志

3.2

航空像片的几何特征与物理特性

3.2.1航空像片的投影原理

3.2.2航空像片的比例尺

3.2.3航空像片上特殊的点线

3.2.4航空像片的物理特性

3.3

像片视差和立体观测

3.3.1像片视差产生的原因与纠正

3.3.2航空像片的立体观察

3.3.3航空像片的立体测量

3.4

高光谱航空遥感

3.4.1基本概念

3.4.2航空成像光谱仪

第四章

航天遥感

4.1

遥感卫星的姿态与轨道参数

4.1.1遥感卫星的姿态

4.1.2遥感卫星的轨道参数

4.1.3遥感卫星的轨道类型

4.2

我国遥感卫星地面站

4.3

陆地卫星Landsat

系列

4.4

法国SPOT卫星

4.5

气象卫星系列

4.5.1概述

4.5.2轨道类型

4.5.3低轨气象卫星

4.5.5高轨静止气象卫星

第五章

图像校正与增强

5.1

数字图像基础知识

5.1.1数字图像和图像数字化

5.1.2遥感图像计算机处理的主要内容

5.2

图像辐射校正

5.2.1系统辐射校正

5.2.2大气校正

5.3

几何校正的原理与方法

5.3.1遥感图像几何畸变来源

5.3.2遥感图像几何校正原理

5.3.3数字图像几何校正方法

5.3.4遥感图像数字镶嵌

5.3.5多图像几何配准

5.4

遥感图像增强处理

5.4.1彩色增强处理

第六章

遥感图像目视判读与制图

6.1

目视判读原理

6.1.1一般概念与图像判读过程

6.1.5目视判读标志

6.2

目视判读的方法与步骤

6.2.1目视判读的方法

6.2.2遥感影像判读步骤

6.3土地利用判读实例

6.3.1土地利用分类

6.3.2遥感土地利用判读特点

第一章绪论要点：遥感的基本概念；遥感系统；遥感分类；目前遥感技术发展的特点；林业遥感技术的发展现状和未来1.1遥感的基本概念

遥感（RemoteSensing)20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术。通常有广义和狭义的理解。广义遥感指各种非直接接触的、远距离探测目标的技术。主要根据物体对电磁波的反射和辐射特性对目标进行采集，利用声波、外力波和地震波等也都包含在广义的遥感之中。

狭义遥感指从远距离、高空，以至外层空间的平台（plantform）上，利用可见光、红外、微波等遥感器（RemoteSensor）,通过摄影、扫描等各种方式，接收来自地球表层各类地物的电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而识别地面物质的性质和运动状态的综合技术。遥感不同于遥测和遥控。遥测是指对被测物体某些运动参数和性质进行远离测量的技术，分接触测量和非接触测量。遥控是指远距离控制目标物运动状态和过程的技术。遥感技术主要通过观测电磁波原理，判读和分析地物目标及现象。也就是说，利用了物体的电磁波特性，即“一切物体，由于其种类及环境条件的不同，因而具有反射或辐射不同波长的电磁波的特性”。所以，遥感也可以说是一种利用物体反射或辐射电磁波的固有特性，通过研究电磁波特性，达到识别物体及其环境的技术。1.2遥感系统遥感系统包括：被测目标的信息特征(目标物）;信息的获取（遥感平台）;信息的接收与记录、信息的处理（地面接收站）和信息应用（分析解译）四大部分。目标物的电磁波特性-----任何目标都具有发射、反射和吸收电磁波的性质，这是遥感的信息源。目标物与电磁波的相互作用，构成了目标物的电磁波特性，它是遥感探测的依据。信息的获取-----主要由传感器来完成。接收、记录目标物电磁波特征的仪器，称为传感器。如扫描仪、雷达、报机、摄像机、辐射计等。信息的接收、记录和信息处理-----传感器接收到目标地物的电磁波信息，记录在数字磁介质或胶片上。胶片是由人或回收舱送到地面回收，而数字磁介质上记录的信息则可通过卫星上的微波天线传输给地面的卫星接收站。地面站接收到遥感卫星发送来的数字信息，记录在高密度的磁介质上（如高密度磁带HDDT或光盘等），并进行一系列的处理，如信息恢复、辐射校正、卫星姿态校正、投影变换等，再转换为用户可使用的通用数据格式，或转换成模拟信号(记录在胶片上)，才能被用户使用。信息的应用----遥感获取信息的目的是应用。这项工作由各专业人员根据不同的应用需要而进行。在应用过程中，也需要大量的信息处理和分析，如不同遥感信息的融合及遥感与非遥感信息的复合等。1.3遥感的分类按遥感平台分：

地面遥感：传感器设置在地面平台上，如车载、船载、手提、固定或活动的高架平台上等。

航空遥感：传感器设置于航空器上，主要是飞机、气球等；

航天遥感：传感器设置于环绕地球的航天器上，如人造地球卫星、航天飞机、空间站、火箭等；航宇遥感：传感器设置于星际飞机上，指对地月系统外的目标的探测。按传感器的探测波段分:紫外遥感：探测波段在0.05-0.38um之间；可见光遥感：探测波段在0.38-0.76um之间；摄影机、扫描仪、摄像仪等。红外遥感：探测波段在0.76-1000um之间；摄影机、扫描仪等。微波遥感：探测波段1mm-1m之间；扫描仪、微波辐射计、雷达、高度计等。多波段遥感：把目标物辐射来的电磁辐射分割成若干个窄的光谱带，然后同步探测，同时得到一个目标物不波段的多幅图像。多光谱摄影机、多光谱扫描仪和反束光导管摄像仪等。按工作方式分:主动遥感和被动遥感：主动遥感由探测器主动发射一定电磁波能量并接收目标的反向散射信号；被动遥感的传感器不向目标发射电磁波，仅被动接收目标物的自身发射和对自然辐射源的反射能量。成像遥感与非成像遥感：前者传感器接收的目标电磁辐射信号可转换成（数字或模拟）图像；后者传感器接收的目标电磁辐射信号不能形成图像。按遥感的应用领域可分：从大的研究领域可分为外层空间遥感、大气层遥感、陆地遥感、海洋遥感等；从具体应用领域可分为资源遥感、环境遥感、农业遥感、林业遥感、气象遥感、城市遥感等。1.4目前遥感技术发展的特点1.高空间分辨率。TM卫星影像空间分辨率最高可达15米(ETM+)；SPOT卫星影像空间分辨率全色波段现在最高可达2.5米、5米，多光谱波段达10米；美国的IKONOS影像数据分辨率可达1米和4米;Qiuckbird影像数据空间分辨率最高可达0.61米。2.高光谱辨率。目前星载遥感器的光谱分辨率大约为可见近红外波段，略优于100nm（10-4m）,在热红外波段约200nm左右，而机载的成像光谱仪已达到可见光、近红外波段约10nm，热红外波段约30nm左右，整个波段数已达到256个波段。美国制定EOS计划（地球观测计划）就包括有中分辩率和高分辨率的像光谱仪。3.高时间分辨率。不同高度的遥感平台其重复观测的周期不同，地球同步轨道卫星可以每半个小时对地观测一次（FY－2气象卫星）；太阳同步轨道卫星（如NOAA气象卫星和FY－1气象卫星）可以每天2次对同一地区进行观测。这种卫星可以探测地球表面及大气在一天或几小时之内的短周期变化。地球资源卫星（如Landsat、SPOT和CBERS－1）则分别以16天、26天或4-5天对同一地区重复观测一次，以获得一个重访周期内的某些事物的动态变化的数据。而传统的地面调查则须在大量的人力、物力，用几年甚至几十年时间才能获得地球上大范围地区动态变化的数据。（彩图略）1.5林业遥感的发展现状及未来本世纪20年代开始试用航空目视调查和空中摄影；30年代采用常规的航空摄影编制森林分布图；40年代航空像片的林业判读技术得到发展，开始编制航空像片蓄积量表；50年代发展了航空像片结合地面的抽样调查技术；60年代中，红外彩色片的应用促进了林业判读技术的进展，特别是树种判读和森林病虫害探测；70年代初，林业航空摄影比例尺向超小和特大两极分化，提高了工作效益，与此同时，陆地卫星图像在林业中开始应用，并在一定程度上代替了高空摄影。70年代后期，陆地卫星数据自动分类技术引入林业，多种传感器也用于林业遥感试验。80年代卫星不断提高空间分辨率，图像处理技术日趋完善。90年代航天遥感技术迅速发展，应用广泛。林业遥感技术发展的未来:l．随着遥感技术的发展，现阶段林业遥感技术在生产上应用开始由以航空像片+地面调查为主的工作模式向着以卫片为主+航片+地面调查为辅助的工作模式发展。2．林业遥感要从定性走向定量，从静态估测到动态监测，从实验走向生产实际应用。3．采用新的遥感资料，Landsat-1…7、SPOT1…5、CBERS-1、2、雷达图像和高光谱图像（MODIS）、IKONOS、QUICKBIRD等.4.多种信息复合，如不同时相、不同传感器、不同分辩率住信息的复合，提高林业遥感的分类精度。5．扩大林业遥感的研究内容：除资源调查外，还应当包括立地评价、区划、灾害监测；环境污染监测，经营活动分析、建筑、绿化、人口监测等；6、提高与普及相结合，使研究成果尽快变成生产力；

第二章遥感的物理基础要点：电磁波；电磁波谱；太阳与大气影响；大气窗口；地物反射波谱特征；地物反射波谱测量；2.1电磁波、电磁波谱及大气窗口1.电磁波当电磁振荡进入空间，变化的磁场激发了涡旋电场，变化的电场又激发了涡旋磁场，使电磁振荡在空间传播，这就是电磁波。其方向是由电磁振荡向各个不同方向传播的。电磁波的性质：（1）实验证明，光是一种电磁波，具有电磁波的性质，是一种横波；（2）在真空中以光速传播；（3）电磁波具有波粒二象性。电磁波在传播过程中遇到气体、液体或固体介质时会发生一系列现象。2.电磁波谱定义：按电磁波在真空中传播的波长或频率，递增或递减排列，则构成了电磁波谱。该波谱以频率从高到低排列，可以划分为γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、无线电波。2.2

太阳辐射与大气影响2.2.1太阳辐射太阳的表面温度为6000°K。中心温度约达15万度。太阳表面每分钟释放出来的热量在5×1024千卡以上。地球是太阳体积的130万分之一，距离太阳约1.5亿公里。太阳辐射的电磁波到达地球表面大概需要8分钟的时间。地球表面每分钟获得的太阳辐射能量只有1.7卡／米2。除去植物的光合作用耗去的能量以外，被地球表面反射到空中的太阳辐射能量就更少了。在遥感中，一些属于可见光至近红外波段的传感器，就是靠接收和记录这部分能量的反射特征获取各种地物信息的。2.2.2大气对太阳辐射的影响被反射：约30%；被吸收：约17%；被散射：22%;到达地面的太阳辐射：约31%。(1)大气层的反射作用进入大气层前主要波长范围：0.15-4μm;占太阳辐射总能量的99%，其中可见光区

占50%，红外区占43%，紫外区占7%；最大辐射波长在0.475

μm。进入大气层后有一部分被反射回宇宙空间。反射作用中，云反射能力变化很大，按地球平均云量54%计算，1/4的太阳辐射能量被反射回宇宙空间去。（2）大气层的吸收作用主要成分：气体分子、水滴和尘埃等；O2：占1/5，主要吸收<0.2

μm的太阳辐射能量；O3：主要在10-40KM高层大气层；两个吸收带为0.2-0.32

μm（蓝光区）、0.6

μm（橙光区）；H2O：主要吸收物质，吸收带红外线和可见光的红光波段内。CO2：只存在于低层大气层中，而且含量很少，主要吸收4.3

μm的太阳辐射能量.尘埃：（3）大气的散射作用说明：IS：地物直接反射的太阳辐射；ID：漫入辐射地面，而又反射到大气中再进入感器的部分：IO：直接进入Sensor的部分；大气的散射现象发生时的物理现象规律与大气中的分子或其他微粒的直径及辐射波长的长短密切相关。通常有以下三种情况：①瑞利散射大气中的粒子（N、CO2、O3、O2等）直径比波长小的多时所发生的散射称为瑞利散射。其散射强度与波长的关系为：即波长越长，散射越弱。可见光波段影响最明显，蓝光波长短，散射越强。所以，晴朗的天空会出现蓝色。米氏散射在粒子（烟、尘埃、小水滴及气溶胶等）直径较大，与辐射的波长相当时所发生的散射称为米氏散射。其与波长的关系式：

即散射的强度与波长的二次方成反比，并且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。③无选择性散射

无选择性散射发生在大气中粒子的直径比波长大得多时。并且散射强度与波长无关，即无选择性散射的波段，任何波长的散射强度都相同。2.2.3大气窗口通常把电磁波通过大气层时较少被反射、吸收或散射而透过率较高的波段称为大气窗口。大气窗口的光谱主要有：0.3-1.3um，即紫外线、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段，也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段，如Landsat卫星的TM1-4波段，SPOT卫星的HRV波段。1.5－1.8um和2.0-3.5um，即近、中红外波段。这是白天日照条件好时，扫描成像的常用波段，如TM的5,7波段等，用以探测植物含水量以及云、雪等，用于地质制图等。

3.5-5.5um，即中红外波段。该波段除通透反射光外，也通透地面物体自身发射的热辐射能量。如NOAA卫星的AVHRR传感器用3.55-3.93探测海面温度，获得昼夜云图。8－14um,即远红外波段。主要通透来自地物热辐射的能量，适于夜间成像。0.8-2.5cm，即微波波段。由于微波穿云透雾能力强，这一区间可以全天候观测，而且是主动遥感方式，如侧视雷达。Radarsat的卫星雷达影像也在这一区间，常用的波段为0.8cm，3cm，5cm，10cm，甚至可将该窗口扩展至0.05-300cm。2.3

地物反射波谱特征在可见光与近红外波段（0.3-2.5um），地表物体自身的热辐射几乎等于零。地物发出的波谱主要以反射太阳辐射为主。当然，太阳辐射到达地面后，物体除了反射作用外，还有对电磁辐射的吸收作用，如黑色物体的吸收能力较强。最后，电磁辐射未被吸收和反射的其作部分则是透过的部分，即：到达地面的太阳辐射能量＝反射能量＋吸收能量＋透射能量一般说，绝大多数物体对可见光都不具备透射能力，而有些物体，例如，水对一定波长的电磁波则透射能力较强，特别是0.45-0.56um的蓝、绿光波段，一般水体的透射深度可达10－20m，混浊水体则为1-2m，清澈水体甚至可透到100m的深度。地物反射波谱曲线除随不同地物（反射率）不同而外，同种地物在不同内部结构和外部条件下形态表现（反射率）也不同。一般说，地物反射率随波长变化有规律可循，从而为遥感数据与对应地物的识别规律。例如植被的遥感反射光谱有以下特点：可见光波段（0.4-0.76um）有一个小的反射峰，位置在0.55um（绿）处，两侧0.45um（蓝）和0.67um（红）则有两个吸收带。这一特征是由于叶绿素的影响，叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强。在近红外波段（0.7-0.8um）有一反射的“陡坡”，至1.1um附近有一峰值，形成植被的独有特征。这是由于植被叶细胞结构的影响，除了吸收和透射的部分，形成的高反射率。在中红外波段(1.3-2.5um)受到绿色植物含水量的影响，吸收率大增，反射率大大下降，特别地，以1.45um、1.95um和2.7um为中心是水的吸收带，形成低谷。植物波谱在上述基本特征下仍有细部差别，这种差别与植物种类、季节、病虫害影响、含水量多少等有关系。为了区分植被种类，需要对植被波谱进行研究。2.4

地物反射波谱测量2.4.1地物反射波谱测量理论

双向反射比因子R（BRF）：在给定的立体角方向上，在一定的辐射照度和观测条件下，目标的反射辐射通量与处于同一辐射照度和观测条件的标准参考面的反射辐射通量之比。2.4.2地物光谱的测量方法(1)样品实验室测量(2)野外测量2.4.3

地物光谱测定

第三章

航空遥感要

点：航空遥感系统；航空像片的几何特片与物理特性；像片视差和立体观测；高光谱航空遥感；定义：航空遥感是以中低空遥感平台为基础进行摄影（或扫描）成像的遥感方式。

优点：空间分辨率高、灵活性大、适合于微观研究。不足：费用昂贵。3.1

航空遥感系统3.1.1航空遥感平台

（一）气球；（二）飞机；(图略)3.1.2航空摄影方式

摄影前准备工作；空中摄影的实施（一）按摄影机主光轴与铅垂线的关系分主光轴：通过物镜中心并与主平面（或焦平面)垂直的直线称为主光轴。

像主点：主光轴与感光片的交点称为像主点。

航摄倾角与像点倾角：主光轴与铅垂线的夹角a。

1.垂直航空摄影:

a?3º

2.倾斜航空摄影：a>3º（二）按摄影所用的波段分

1.普通黑白摄影；2.天然彩色摄影；3.黑白红外摄影；

4.彩色红外摄影；5.多光谱摄影；6.机载侧视雷达；（三）按摄影实施方式分

1.单片摄影

为特定目标或小块地区进行的摄影，一般获得一张、一对或数张不连续的像片。

2.单航线摄影

沿一条航线对地面上狭长地带或线状地物（如铁路、公路、河流、管道等）进行的连续摄影。

航向重叠：60%，不得小于53%。

3.多航线摄影（面积摄影）

沿数条互相平行的直线航线对一个广大区域进行的连续的、布满区的摄影。

航向重叠：60%，旁向重叠:15%-30%;（四）按航摄比例尺分1.大比例尺航空摄影：1：1万；2.中比例尺航空摄影：1：1万?1：3万；3.小比例尺航空摄影：1:3万?1

：1：10万；4.超小比例尺航空摄影：像片比例尺1：10万?

1：25万；3.1.3航空遥感特点

1.航空遥感空间分辨率高、信息量大。

2.航空遥感灵活，适用于一些专题遥感研究。

3.航空遥感作为实验性技术系统，是各种星载遥感仪器的先行检验者。

4.信息获取方便。3.1.4航空遥感的产品1.镶辑复照图：

相邻航片按照同名地物近似地拼叠起来，然后将其缩小复照即可。2.像片略图：

也称像片草图。它是按照像片之间重叠部分的同名地物点进行拼接镶辑，然后把重叠部分切去，舍去像片的边角，用每张像片的中心部分拉合成一个图幅整体。（未纠正）3.像片平面图：

由经过纠正的航片拼辑、镶嵌而成的航空影像图。4.正射航空影像图：它是用正射投影仪将普通的航片经过了投影改造成为正射投影片，用其组合而成的航空影像图。消除了地形引起一误差，标注有等高线等。3.1.5航片上的标志

像幅规格：18×18cm2,23

×

23cm23.2

航空像片的几何特征与物理特性3.2.1航空像片的投影原理（一）中心投影定义：凡空间任意点A（物点）与一固定点S（投影中心）连成的直线或延长线（即中心光线）被一个平面（像平面）所截，则此直线与平面的交点a（像点）称为A点的中心投影。从投影上而言，航空像片（正片）的位置，等于以投影中心为圆心，以焦距f为半径，将P旋转至P’（下图），P’即为正像的位置。3.2.2航空像片的比例尺(一)定义：航空像片上某一线段长度与地面相应线段长度之比，称为像片比例尺，用1/M表示，并有下式：式中：f为焦距，H为飞行器相对航高。（二）影响航空像片比例尺的因素1.与焦距和航高的关系：航空像片的比例尺与物镜焦距成正比，与相对航空成反比。若焦距固定不变，相对航高越高，比例尺就越小。

2.受地形因素的影响

（1）平坦地区：摄像时像片处于水平位置，则像片的比例尺可以近似看成处处一致。

例如：f=70mm,H=3500mm,则像片比例尺为1：50000

一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺主要随着航高而变化。1.与焦距和航高的关系：航空像片的比例尺与物镜焦距成正比，与相对航空成反比。若焦距固定不变，相对航高越高，比例尺就越小。2.受地形因素的影响

（1）平坦地区：摄像时像片处于水平位置，则像片的比例尺可以近似看成处处一致。

例如：f=70mm,H=3500mm,则像片比例尺为1：50000

一般在航空摄影时，焦距是固定的，比例尺主要随着航高而变化。(2)地形复杂地区

由于地形起伏使得每一地物点的航高不同，实际比例尺与不一样。举例说明：在用RC-5拍摄的像片,已知航高2600m，焦距210mm,红松K36号样地的海拔高为500m，红松K40号样地海拔高为290m，则K36的比例尺分母为：3.2.3航空像片上特殊的点线S为投影中心，E为地面，P为像面，E与P所夹两面角a

,即为摄影时的倾角。

1.像主点：主光轴OS与像平面垂直的交点o,地面上的相应点称为地主点O；

2.像底点：通过镜头中心S的铅垂线(NSn)与像面的交点3.等角点：主光轴SO与主垂线NSn夹角a（即像片倾角）的二等分线与像平面及地面的交点，都称等角点。用c和C表示。

4.主纵线：包括主光轴与铅垂线的平面（W）与像平面的交线（vv’)为主纵线；地面上为VV’。5.主横线：在像片上凡与主纵线垂直的线，称为像水平线hh’，通过像主点的像水平线为主横线hoh’o.

6.等比线：像平面上通过等角点c的像水平线，称为等比线hch’c.

7.真水平线：通过镜头中心S所作的水平面与像片面的交线hih’i.8.主合点：主纵线与真水平线的交点I.

9.透视轴：延长像片面与地平面相交的直线的透视轴TT’.特殊点、线间的关系:3.2.4航空像片的物理特性（一）基本概念

1.色调：地物电磁辐射能量在像片上的模拟记录，在黑白像片上表现为灰度，在彩色像上表现为色彩。

2.色彩：彩色像上某一部分的颜色称为此部分的色彩。

3.灰阶：灰度分成若干个等级，每一等级称为一级灰阶。一般用2n(n是正整数)表示灰阶序号0,1,2,3,…2n-1。4.亮度系数：在相同照度下，某物体表面亮度与绝对白色的理想物体表面亮度之比。表示地物发射（或反射）光的能力。

其中：L----为某物体表面亮度；L0----为绝对白色物体表面亮度。(二）影响航空像片色调的因素

1.地物表面亮度：其取决于摄影时照度和地物自身的亮度系数。

（1）照度：太阳辐射到地表的强度，即像片上的灰度色调。

（2）地物亮度系数：当照度一定时，地物亮度系数决定着地物在黑白航空像片上的相应影像的色调。亮度系数越大，色调越浅。

2.感光材料：感光度

3

摄影技术：曝光量的选择、感光片的冲洗及印像、放大技术等。3.3

像片视差和立体观测3.3.1像片视差产生的原因与纠正

像点位移：根据中心投影的原理，无论是带有起伏的地形，还是高出地面的任何物体，反映到航空像上的像点与其平面位置相比，一般都会产生位置的移动，这种像点位置的移动，叫做像点位移。主要由像片倾斜、地面点相对于基准面的高差和物理因素等产生的。（一）

像片倾斜引起的像点移位P为倾斜像片，P0为水平像片；a,a0为同一面点在P和P0上的任意点位；c为等角点；

将倾斜像片绕等比线hch’c旋转到与水平像片重合形成叠合图形。Ca和Ca0共线，但长度不等。

（二）

地形起伏引起的像点位移投影差：由于地面起伏变化，投影在像片上的像点产生的直线移位。其与地形起伏和像片倾斜都有关系。根据相似三角形原理，可得投影差的公式：其中：r为像点a到像主点的距离；H为摄影航高；h为地面离差；1.投影差分布规律

（1）对相对高差相等的点，Dh也相等；r=0时，

Dh=0；像主点无像点移动；

（2）

Dh与h成正比，h>0，像点背离像主点方向移位，

Dh>0；h<0，像点朝向像主点方向移位，

Dh<0。

（3）

Dh与航高H成反比。2.投影差的改正（1）像片上改正：投影差在像上的改正是指从含有投影差的像点a向a0改正。改正方向：h>0，像点a朝向像主点方向改正；h<0,像点a背离像主点方向改正。（2）图版上改正：投影差在图版上的改正是指从没有投影差的图上点A0向A’改正。改正方向为h>0，图上点A0背朝底点方向改正,

Dh>0;反之…3.根据像点位移值测量目标的高度

根据公式可得：：例如：一张航空像片，已知摄影高度为400m，在航空像片上量出目标顶点至像点的距离为2.8cm，目标的像点位移值为0.15cm，则目标高度为:

h=400*0.15/2.8=21.43(m)3.3.2航空像片的立体观察（一）航空像片立体观察的原理瞳孔如同光圈，视网膜如同底片，接受物体的影像信息。

交会角瞳孔如同光圈，视网膜如同底片，接受物体的影像信息。

交会角生理视差的形成：人们是从眼基线的两个端点来观察物体（右眼从右边观察物体，左眼从左边观察物体），因此两眼的观察角度就不同，在两眼网膜上所产生的物体影像就有差别，即形成了生理视差。生理视差是产生立体视觉和判断景物远近的原因。立体观察是根据立体视觉原理进行的。实施立体观察，必须是在连续拍摄的两张空中照片的重叠部分上进行的。人造立体视觉：空间景物在感光材料上构像，再用人眼观察构像的像片产生生理视差，重建空间景物的立体视觉，所看的空间景物称为立体影像，产生的立体视觉称为人造立体视觉。

人造立体视觉必须符合自然界立体观察的四个条件：

（1）两张像片必须是在两个不同位置对同一景物摄取的立体像对；

（2）两只眼睛必须只能分别观察像对的一张像片；

（3）两像片上相同景物（同名像点）的连线与眼基线应大致平行；

（4）两像片的比例尺相近

（二）航空像片的立体观察立体观察方法：

1.人眼观察法

2.仪器法：透镜式立体镜、反光式立体镜、扫描式立体观测仪和主体显微镜等

。

3.光电设备观察

目前图像判读的先进设备，它具有分辨率高、适用性强、目标测量定位快等特点。其功能包括放大观察、立体观察、图像处理、图像信息整编和图像存储等，配有大容量计算机和多种外围设备。立体观察效果：1.正立体效果：立体观察时所得到的立体效应与实地情况相同。2.反立体效果：立体观察时所得到的立体效应与实地情况相反。3.

零立体效果：观察时所看到的物体影像没有高低的差别。4.

双影：观察时航空像片上相同物体影像不能完全重合。3.3.3航空像片的立体测量测量起伏地形的高差，根据像点左右视差来确定。左右视差：高低不同的地面点，在两张重叠的航空像片所呈现的相应点横坐标之差。横坐标以像主点为原点，右边为正，左边为负。3.4.1基本概念

高光谱分辨率遥感是指利用很多很窄的电磁波波段从感兴趣的物体获取有关数据，它的基础是测谱学….3.4.2航空成像光谱仪

1.

航空成像光谱仪；

2.多用途航空成像光谱仪；

3.

先进的固态阵列光谱辐射仪；

4.航空可见光/红外成像光谱仪；

5.小型机载成像光谱仪；

第四章

航天遥感要

点：遥感卫星的姿态与轨道参数；我国遥感卫星地面站；美国Landsat卫星及其影像特征；法国SPOT卫星及其影像特征；气象卫星及其影像特征；中巴资源卫星及其影响像特征；其它卫星及其影像特征；4.1

遥感卫星的姿态与轨道参数

遥感卫星也称地球观测卫星，是航天遥感平台的一种主要类型。4.1.1遥感卫星的姿态

姿态对数据的质量有影响，必须测量、记录。

（一）三轴倾斜（二）振动

振动是指遥感卫星运行过程中除流动、俯仰与偏航以外的非系统的不稳定振动。4.1.2遥感卫星的轨道参数

轨道参数：表示遥感卫星轨道特征的数值组称为轨道参数。

轨道面：遥感卫星在太空中的运行，是一种受到地球以及月球和太阳引力的规律性运动，它所在的包含地球在内的平面叫轨道面。（一）开普勒的六个参数轨道长半轴（a)：卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离；轨道偏心率（e）：椭圆轨道焦距与长半轴之比，又称扁率，e=c/a;轨道倾角（i）：轨道面与赤道面的交角，即从升交点一侧的轨道量至赤道面；升交点赤经（8）：轨道上由南向北自春分点到升交点的弧长；近地点角距（ω）：轨道面内近地点与升交点之间的地心角；过地点时刻（t0）：以近地点为基准表示轨道面内卫星位置的量。（二）其他一些常用遥感卫星参数卫星高度：卫星距离地面的高程。运行周期：指卫星绕地一圈所需的时间，即从升交点开始运行到下一次过升交点时的时间间隔，它与卫星的平均高度呈正相关。重复周期：指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需的天数。降交点时刻：指卫星经过降交点时的地方太阳时的平均值。扫描带宽度：当卫星沿一条轨道运行时其传感器所观测的地面带的横向宽度。4.1.3遥感卫星的轨道类型(1)地球同步轨道：卫星运行周期等于地球的自转周期（如果从地面上各地方看过去，卫星在赤道上的一点是静止的，所以又称静止轨道卫星），如气象卫星、通讯卫星。(2)太阳同步轨道：卫星的轨道面以与地球的公转方向相同方向而同时旋转的近圆形轨道（如图）4.2

我国遥感卫星地面站2002年度卫星接收统计中国遥感卫星地面站与国际卫星管理机构签约情况4.3

陆地卫星Landsat

系列

美国国家航空航天局（NASA）在1967年制订了一地球资源技术卫星计划（ERTS计划），开始命名为ERTS-1，ERTS-2，ERTS-3等，后来改名为Landsat计划）轨道特征：Landsat系列卫星的传感器和数据参数：

RBV：反束光导摄像机；MSS：多光谱扫描仪；TM：专题制图仪；ETM+：增加型专题制图仪；美国陆地卫星七号

(LANDSAT-7)

陆地卫星7号于1999年4月15日由美国航空航天局发射，携带了增强型主题成像传感器（ETM+）

(图略)卫星参数：近极近环形太阳同步轨道；轨道高度：705公里；倾角:98.22o

；运行周期：98.9分钟；24小时绕地球:15圈；穿越赤道时间:上午10点；扫描带宽度:185公里；重复周期:16天

卫星绕行:233圈

波段号

类型

波谱范围地面分辨率

1

Blue-Green

0.450-0.515

30m

2

Green

0.525-0.60530m

3

Red

0.630-0.6930m

4

NearIR0.775-0.9030m

5

SWIR

1.550-1.7530m

6

LWIR

10.40-12.5

60m

7

SWIR2.090-2.3530m

8

Pan

0.520-0.90

15m

Landsat系列卫星的数据产品：（一）像片产品：MSS、TM、ETM+的像片资料。（二）胶片产品：透明胶片和像纸片；按波段不同可分为黑白片和几个波段合成的彩色合成片（有真、假彩色片之分）。

胶片尺寸：70mm*70mm;240mm*240mm(9.50英寸)（三）数字盘：1.44M软盘。（四）数字磁带：HDDT，CCT，8mm磁带,CD-ROM等不同记录介质。CD-ROM最常见。4.4

法国SPOT卫星

1998年3月24，第四颗；2002年4月，第五颗；1986年2月22日

第一颗；1990年1月22日

第二颗；1993年9月26日

第三颗；SPOT系列卫星的轨道特征：

法国SPOT-4卫星轨道参数：轨道高度：832公里；轨道倾角：98.721o

；轨道周期：101.469分/圈；重复周期：369圈/26天；降交点时间：上午10：30分；扫描带宽度：

60

公里；两侧侧视：+/-27o

扫描带宽：950公里波谱范围：

多光谱XI20米分辨率

B10.50?0.59umB20.61?0.68umB30.78?0.89umSWIR

1.58?1.75um全色P10米B20.61?0.68umSPOT系列卫星的数据产品：图像数据处理质量标准：1A，1B，2，3，4。1A处理精度最低，4级处理精度最高。（一）图像产品（二）CCT磁带4.5

气象卫星系列4.5.1概述

气象卫星主要用于云移、云顶高度、云分布、海洋表面温度、对流层上部水蒸气分布以及辐射平衡等方面的测定和研究。

1960年4月1日美国发第一颗试验气象卫星。目前已发射100多颗气象卫星。4.5.2轨道类型

有低轨和高轨两种。低轨较多，飞行高度800-1500KM。高轨卫星飞行高度近36000KM，轨道圆形，周期为24小时，其轨道面与赤道平面重合，与地球转动同步。4.5.3低轨气象卫星（一）美国的泰罗斯卫星系列Television

and

Infrared

Obseration

Satellite,TIROS,第一代实验气象卫星，1960年4月1日到1965年7月2日，共10颗。

非太阳同步轨道，680-2967KM，轨道倾角为48度-60度。

传感器：AVHRR（Advanced

Very

High

Resolution

Radiometer)（二）美国的雨云卫星系列NIMBUS，1964年8月28日至1978年10月24日，7颗。特征：近圆形太阳同步轨道，轨道倾角为98.6度-104.9度，近地点487-1248km，远地点在955-1354km。NIMBUS能获取地球局部的、大范围地区的可见光每项外卫星图。（四）美国的诺阿卫星系列

1970年1月23日美国发射第一颗诺阿（NOAA）卫星，到1994年发射16颗。

特征：近圆形太阳同步轨道，轨道高度为833-870km，轨道倾角99.092度，运行周期为102min。两颗NOAA组成的双星系统，每天可对同一地区获得4次观测数据。

主要用于：气象领域、非气象领域（海洋油污监测、探测火山喷发、测定森林火和田野禾草燃烧位置、农业作物长势监测与作估产，探测湖面水位变化等。NOAA传感器：（1）AVHRR（高分辨率扫描辐射计）；（2）TIROS（泰罗斯垂直分布探测仪）。（AVHRR的通道1为黄-红谱段，通道2为深红-近红外短波谱段，通道3为中红外谱段，通道4和5为远红外谱段。）(五)风云一号卫星系列1988年9月7日，我国在太原发射中心发射成功。代号FY-1A。

该卫星为正六面体，总长度8.6m。1990年9月24日，第二颗风云一号（FY-1B）发射成功。1999年5月10日，风云一号C星发射成功。主要用于天气预报、气候研究及环境监测。风云-1C星（FY-1C），是我国第一颗三轴稳定太阳同步极地轨道业务气象卫星。可以每天两次获取当地的观测资料。

轨道特征：FY-1A和FY-1B均采用近圆形、近极地、太阳同步轨道，高度900km；FY-1C为三轴稳定太阳同步极地轨道，轨道高度870km。传感器：FY1（A、B）上将有2台甚高分辨率扫描辐射计，与NOAA的AVHRR很相似。4.5.5高轨静止气象卫星（一）CBERS-1

中巴资源卫星CBERS-1

中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射，是我国的第一颗数字传输型资源卫星

。太阳同步轨道

轨道高度：778公里,倾角:98.5o

重复周期：26天

平均降交点地方时为上午10：30

相邻轨道间隔时间为

4

天扫描带宽度:185公里星上搭载了CCD传感器、IRMSS红外扫描仪、广角成像仪，由于提供了从20米?256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据，成为资源卫星系列中有特色的一员。4.5.5高轨静止气象卫星（一）CBERS-1

中巴资源卫星CBERS-1

中巴资源卫星由中国与巴西于1999年10月14日合作发射，是我国的第一颗数字传输型资源卫星

。太阳同步轨道

轨道高度：778公里,倾角:98.5o

重复周期：26天

平均降交点地方时为上午10：30

相邻轨道间隔时间为

4

天扫描带宽度:185公里星上搭载了CCD传感器、IRMSS红外扫描仪、广角成像仪，由于提供了从20米?256米分辨率的11个波段不同幅宽的遥感数据，成为资源卫星系列中有特色的一员。红外多光谱扫描仪：波段数：4波谱范围：B6：0.50?1.10(um)B7：1.55?1.75(um)B8：2.08?2.35(um)B9：10.4?12.5(um)覆盖宽度：119.50公里空间分辨率：B6?B8：77.8米B9：156米

CCD相机：波段数：5波谱范围：B1：0.45?0.52(um)B2：0.52?0.59(um)B3：0.63?0.69(um)B4：0.77?0.89(um)B5：0.51?0.73(um)覆盖宽度：113公里空间分辨率：19.5米(天底点)侧视能力：-32士32

广角成像仪：波段数：2波谱范围：B10：0.63?0.69(um)B11：0.77?0.89(um)覆盖宽度：890公里空间分辨率：256米

(二)日本JERS-1卫星

JERS-1日本宇宙开发事业团于1992年发射。用于国土调查、农林渔业、环境保护、灾害监测。星上传感器SAR。卫星参数：太阳同步轨道；赤道上空高度：568.023公里；半长轴：6946.165公里；轨道倾角：97.662o

；周期：96.146分钟；轨道重复周期：44天；经过降交点的当地时间：10：30-11：00；空间分辨率：方位方向18米；距离方向18米；幅宽：75公里(三)

ERS卫星

ERS-1

ERS-2

欧空局分别于1991年和1995年发射。携带有多种有效载荷，包括侧视合成孔径雷达（SAR）和风向散射计等装置），由于ERS-1（2）采用了先进的微波遥感技术来获取全天候与全天时的图象，比起传统的光学遥感图象有着独特的优点。卫星参数：椭圆形太阳同步轨道；轨道高度：780公里；半长轴：7153.135公里；轨道倾角：98.52o；飞行周期：100.465分钟；每天运行轨道数：14

-1/3；降交点的当地太阳时：10：30；空间分辨率：方位方向<30米；距离方向<26.3米；幅宽：100公里；（四）Quickbird卫星成像方式

推扫式成像

传感器

全波段

多光谱

波长

450-900nm

蓝：450-520nm

绿：520-600nm

红：630-690nm

近红外：760-900nm

量化值

11位

星下点成像

沿轨/横轨迹方向（+/-25度）

立体成像

沿轨/横轨迹方向

辐照宽度

以星下点轨迹为中心，左右各272公里

成像模式

单景16.5公里×16.5公里

条带16.5公里X16.5公里

轨道高度

450公里倾角

98度（太阳同步）

重访周期

1?6天（70厘米分辨率，取决于纬度高低）

第五章

图像校正与增强要

点：遥感数字图像处理的基础知识，介绍遥感数字图像几何纠正、图像增强的基本原理和方法、图像分类等。原因：辐射校正由于遥感检测系统、大气散射和吸收等原因引起的图像模糊失真、分辩率和对比度下降等辐射失真；几何校正是由于搭载传感器的遥感平台飞行资态变化、地球自传、地球曲率等原因引起的图像几何益畸变。5.1

数字图像基础知识5.1.1数字图像和图像数字化（一）数字图像的概念早期的遥感技术通过摄影成像方法得到的像片称之为光学图像。

能在计算机里存储、运算、显示和输出的图像称为数字图像。

光学图像可以看成是由无数个很小的单元点子（像元）组成的，每个单元点子的明暗程度记录了成像瞬间对应的物体的反射光强度（灰度），在遥感图像其实质就是探测范围内电磁辐能量分布图。数字方法表示图像：

(x,y)表示像元的位置；f(x,y)表示（x,y）位置上的对应地物电磁辐射强度。对于模拟图像,x,y,f(x,y)的取值是连续的。

要经过“离散化”取样才能变成计算机可存储和运算的数字图像。

函数f(x,y)的取值：离散整数取样是根据需要，将灰度空间分成2n级（目前n的取值有1、4、7、8，甚至更多），然后根据方格内电磁辐射强弱取其平均值整数作为函数f(x,y)的值。一幅模拟图像表示为数字图像其实质是一个数字矩阵。数字矩阵可以计算机里进行存储和运算。（二）图像数字化

一幅光学图像经过上述离散取样，转化为数字图像的过程即图像数字化。

图像的数字化内容：

（1）图像空间位置的数字化，即图像的空间取样。

（2）图像灰度的数字化，即指从图像灰度的连续变化中进行离散的采样，目前经常使用的灰度量度有2级，64级，128级，256级。

除光学图像可以数字化为数字图像外，更多的遥感图像源于传感器获得后直接的数字产品，如SPOT,MSS,TM,ETM等航天遥感数字。（三）灰度直方图用平面直角坐标系表示一幅灰度范围为0-n数字图像像元灰度分布状态。横轴表示灰度级，纵轴（Pi=mi/M)表示灰度级为gi的像元个数mi占像元总数Ｍ的百分比。将2n个Pi绘于图上，所形成的统计直方图叫灰度直方图。通过灰度直方图可以直观地了解图像增强的效果。二、图像处理系统与处理内容（一）

图像处理系统5.1.2遥感图像计算机处理的主要内容

１.图像校正：辐射校正、几何校正等；2.增强处理：彩色增强、直方图增强、图像运算、多信息融合等；3.图像变换：消除干扰、滤掉噪声、提高图像的质量，如Ｋ－Ｌ变换等；4.计算机信息提取：非监督分类、监督分类、神经网络分类、模糊分类、空间信息撮等。5.2

图像辐射校正5.2.1系统辐射校正（一）光学摄影机内部辐射误差校正

光学摄影机内部辐射误差主要是由镜头中心和边缘的透射光的强度不一致造成的，它使得在图像上不同位置的同一类地物有不同的灰度值。设原始图像灰度值g，校正的图像灰度g’,则有g’=g/cosa

a为像点成像时光线与主光轴夹角。（二）光电扫描仪内部辐射误差的校正

两类误差：（1）光电转换误差；（2）探测器增益变化引起的误差。消除方法：楔校准处理方法；5.2.2大气校正定义：指消除主要由大气散射引起的辐射误差的处理过程。（一）公式法

与卫星扫描同步进行野外波谱测试，将地面测量结果与卫星影像对应像元亮度值进行回归分析，回归方程为：式中，LAi为卫星观测值；Ri为地面反射率；

a和b为回归系数；系数a为大气散射引起对辐射的干扰部分式中，Si为系统增益因素；Lbi为大气路径辐射率；b表示辐射率Lai随地面反射率Ri递增而增长的程度大小；Ti为大气透射率；Hi为太阳辐照度；θ为太阳天顶角；

由于这个公式计算方法是对于各个波段分别进行的，所以以上各参数都带有i，代表各波段的序号。将上式代入可得：上式说明决定Lai的因素比较复杂，用这一公式计算Lai时需要获得当时具体气象参数。

由前面的公式可得：

式中，L’Ai即为校正后图像灰度值；a为大气附加辐射部分。

（二）回归分析法

用长波数据来校正短波数。

作法：在不受大气影响的波段（如TM5）和待校正的某一波段图像中，选择由最亮至最暗的一系列目标，将每一目标的两个待比较的波段灰度值提取出来进行回归分析。例如：式中，

X平均为TM5波段的亮度均值；

Y平均为TM1亮度均值；a1,b1计算如下：T1、T5表示TM1与TM5波段灰度值，

T’1

为TM1波段校正后的灰度值。辐射回归分析图：（三）直方图校正法通过灰度直方图对比找出校正量。5.3

几何校正的原理与方法几何畸变：遥感图像在获取过程中由于多种原因导致景物中目标物相对位置的坐标关系图像中发生变化。5.3.1遥感图像几何畸变来源（一）传感器成像几何形态影响传感器一般的成像几何形态有中心投影、全影投影、斜距投影以及平行投影等几种不同类型。1、全景投变形红外机械扫描仪、CCD线阵推帚式传感器。2、斜距投影变形侧视雷达属斜距投影，其成像变形规律如图（二）

传感器外方位元素变化畸变（三）地球自转的影响地球自转对于瞬时光学成像遥感方式没有影响，对于扫描成像则造成图像平行错动。（四）地球曲率影响1、在星下点视场角较小，曲率影响可忽略。2、产生的误差原理与航空像片像点位移相同。5.3.2遥感图像几何校正原理遥感图像几何校正包括光学校正和数字纠正两种方法。

数字纠正是通过计算机对图像每个像元逐个地解析纠正处理完成的，其包括两方面：一是像元坐标变换；二是像元灰度值重新计算（重采样）。（一）坐标变换的两种方案

首先要确定原始图像和纠正后图像之间的坐标变换关系。对其包括：直接法：从原始图像阵列出发，依次对其中每一个像元分别计算其在输出（纠正后）图像的坐标，即：

式中，x,y为P点原始图像的行数和列数；X，Y为P在新图像中的坐标（即地面坐标系），并把P（x,y）的灰度值重新计算后送到P（X，Y）位置上去。间接法：从空白图像阵列出发，依次计算每个像元P（X，Y）在原始图像中的位置P（x,y），然后把该点的灰度值计算后返送给P(X,Y)。其纠正公式为：(二)输出图像的边界大小输出图像边界的地面坐标值是由包括纠正后图像在内的最小长方形范围来确定的。1、把原始图像的4个角点按公式：投影到输出坐标系中来。2、获取各自的最大和最小值（Xb、Yb和Xa、Ya）；3、令地面上坐标（Yb、Xa）和(Ya、Yb)的点（图像左上角点）为输出图像的第一行第一列像元，以dx和dy划分网格，每个网格代表输出图像的一个像元，在它输出图像阵列中的位置为：式中，X，Y为地面某网格中心的坐标值；I，J为该网格位于输出图像阵列中的行列序号；dx,dy为输出图像阵列像元的地面尺寸；（三）数字图像灰度值的重采样

校正前后图像的分辨率变化、像元点位置相对变化引起输出图像阵列中的同名点灰度值重采样：P’的灰度值取决于周围列阵点上像元的灰度值对其所作的贡献，这就是灰度值重采样.1、最近邻法

用距离投影点最近像元灰度值代替输出像元灰度值。2、双线性内插法

投影点周围4个相邻像元灰度值，并根据各自权重计算输出像元灰度值，公式简述为：3、双三